運算思維介紹

前言

現代人生活已脫離不了資訊科技，如何瞭解資訊科學內涵，培養邏輯、系統化思考，並應用於生活與工作，是不分年齡、專業都該要培養、實作及內化的，這樣的學習科目簡稱：運算思維(Computational Thinking)。

據此，教育部亦提出運算思維推動計畫，將此列入12年國教資訊科技科目中，希望藉由資訊科技之運用與實作，增進運算思維的應用能力、解決問題能力、團隊合作及創新思考能力。

核心能力 & 框架

運算思維實為運用資訊科技解決問題的方法論，一開始將其歸納為：

  • 拆解 (Decomposition)
  • 找出規律 (Pattern Recognition)
  • 歸納與抽象化 (Pattern Generalization and Abstraction)
  • 設計演算法 (Algorithm Design)

等四項核心能力，經過多年的演迭後，運算思維所需能力已形成框架，Lodi, M., Martini, S, 2021 將其整理定義為：

心智歷程 (Mental processes)

對解決問題有用的心理策略：

  • 演算法思維 (Algorithmic thinking)
  • 邏輯思維 (Logical thinking)
  • 問題分解 (Problem Decomposition)和模組化(Modularization)
  • 抽象化 (Abstraction)
  • 樣式辨識 (Pattern recognition)
  • 一般化 (Generalization)等。

方法 (Methods)

計算機科學家廣泛使用的操作方法：

  • 自動化 (Automation)
  • 資料收集 (Data Collection)
  • 分析和表達 (Analysis and Representation)
  • 並行化 (Parallelization)
  • 建模與模擬 (Modeling and Simulation)
  • 分析與評價 (Analysis and Evaluation)
  • 程式設計 (Programming)

實踐 (Practices)

基於計算機的實作，使用的典型實踐解決方案：

  • 實驗、迭代、修補 (Experimenting, iterating, tinkering)
  • 測試和除錯 (Test and debug)
  • 重用和重新混合 (Reuse and Remix)

橫向技能 (Transversal skills)

藉由如同計算機科學家思維，看待運行世界的一切事物，並將其用於各項生活技能上：

  • 設計與創造 (Design and Create)
  • 溝通與協作 (Communicate and collaborate)
  • 以計算方式理解世界，進行反思、學習、詮釋反思 (Reflect, learn, meta-reflect, understand the world computationally)
  • 容忍歧義 (Be tolerant for ambiguity)
  • 處理複雜問題時要持之以恆 (Be persistent when dealing with complex problems)

實例發想

蓋一棟房子

想像您是建築設計師或營造公司的工地主任，眼前要蓋一間房子，以下那些工序是您會困擾的？

  • 建築設計：格局規劃、材料應力計算
  • 工期規劃：氣候預測、人力配置
  • 測量放樣
  • 成本計算：鋼筋、混泥土、門窗、磁磚
  • 工程材料檢測
  • 工程施工管理
  • 機電設備
  • 工地治安

智慧家居

想開始規劃專屬你的智慧家居嗎？以下那些應用是你想進行的項目？

  • 保障安全的智慧保全
  • 提升生活品質的智慧家電
  • 降低生活成本的節能手段
  • 防護老幼的居家照護
  • 沉浸式娛樂

智慧城市

未來智慧城市包含了以下6項應用：

  • 智慧環境（Smart Environment）
  • 智慧交通（Smart Mobility）
  • 智慧生活（Smart Living）
  • 智慧市民（Smart People）
  • 智慧政府（Smart Government）
  • 智慧經濟（Smart Economy）

而你參與了某項大型公共工程的規劃與監造，欲加入智慧城市應用，以下那些工作項目是你將關注的？

  • 地質調查
  • 品質計畫
  • 施工計畫
  • 假設工程計畫
  • 施工測量
  • 排水系統
  • 施工檢驗程序
  • 材料與設備檢試
  • 設備功能運轉測試
  • 職業安全衛生管理
  • 緊急應變及防災計畫
  • 環境保護執行計畫
  • 施工交通維持及安全管制措施
  • 品質稽核
  • 文件記錄

移居外太空

2035年，你參與了火星移居計畫工作，下列那些是你亟待解決的問題？

  • 太空運輸與成本計算
  • 空氣供應與循環規劃
  • 水資源供應與循環規劃
  • 安全防護規劃
  • 電力供應
  • 通訊系統
  • 地面(質)探勘
  • 太空農場
  • 太空礦場

實踐 & 工具

結合上述實例，用於運算思維這科目，您將會學習到以下工具：

運算

  • 雲端運算：資料收集、探勘與分析、AI影像辨識、語意分析等需要大量運算的項目，通常可以租用雲端平台，以降低持有與開發成本，例： Google AI、Azure AI。
  • 邊緣運算：通常是整合、收集物聯網感測器所需的節點運算與通訊，一般是處理即時、較低運算能力但節電、耐候、穩定且低成本的計算機設備，如：Jetson Nano、華碩 IoT ALPR Edge AI Dev Kit。

Webduino:Bit

Webduino Bit 同時提供物聯網與積木式程式邏輯學習工具，只要打開網頁，就能實作物聯網的各種應用。

感測器

  • 光感測器
  • 紅外線熱感測器
  • GPS接收器
  • 變位、位移感測器
  • 速度、加速度感測器
  • 溫度感測器
  • 濕度感測器
  • 超音波感測器
  • 壓力感測器
  • 縮時攝影機
  • 景深相機
  • 透地雷達與製圖光達

TinkerCad

業界所熟知的 Autodesk 公司推出的 Tinkercad ，是一款免費的雲端應用平台，用於 3D設計、電子元件與編程，可以從這裡開始您的構想到設計。

Python & Numpy

Python 是學術界進行教學、實驗及發表論文最愛用的程式語言，除了它簡單易學的特性外，是因為它有好用的資料科學相關套件(例如：Pandas、SciPy、Scikit-learn 等)，這些套件的基礎皆源自 Numpy ，因此學好 Numpy 這項技能，絕對能幫助您在運算思維的實踐。

Reference:

物聯網概念與應用

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